提升SIEMENS 9F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組背壓方式下熱電解耦能力關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

梁言凱,邊 防,侯 寶,許 明,王冠博,劉琪岳,劉 墨

(京能集團(tuán) 北京京橋熱電有限責(zé)任公司，北京 100067)

0 引言

近年，隨著北京城市規(guī)模不斷發(fā)展，冬季熱負(fù)荷需求不斷攀升。北京作為政治、文化、國(guó)際交往中心，對(duì)綠水藍(lán)天的要求也更加嚴(yán)格。當(dāng)前北京已基本完成供熱的煤改氣目標(biāo)，大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組因有著清潔高效、供熱負(fù)荷集中等特點(diǎn)，且處在城市核心熱負(fù)荷區(qū)的獨(dú)特區(qū)位優(yōu)勢(shì)，承擔(dān)著城市供熱的主要任務(wù)，供熱季熱負(fù)荷需求較高，也因此機(jī)組對(duì)電負(fù)荷要求也較大[1]。但是受華北電網(wǎng)供熱季電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)所限，電網(wǎng)調(diào)峰需求明顯，全網(wǎng)整體用電負(fù)荷不高，因此無(wú)法保證機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致供熱需求與電負(fù)荷需求形成矛盾。而且，隨著清潔風(fēng)電的消納問題，更進(jìn)一步壓擠了火電機(jī)組的負(fù)荷空間，因此對(duì)供熱機(jī)組熱電解耦的要求，提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。

目前國(guó)內(nèi)外聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組的供熱改造技術(shù)方向，主要集中在凝、抽、背改造，低壓切缸技術(shù)，低壓轉(zhuǎn)子光軸改造，高背壓供熱、大旁路技術(shù)等[3]。技術(shù)改造的主要方向都集中在聯(lián)合循環(huán)中的汽機(jī)側(cè)，而在燃機(jī)側(cè)的相關(guān)技術(shù)改造因受國(guó)外設(shè)備廠商的限制，仍未涉及。因此，汽機(jī)背壓方式供熱，基本上已達(dá)到當(dāng)前技術(shù)條件下的最大供熱能力。

針對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)形勢(shì)，北京各燃?xì)怆姀S進(jìn)入冬季供熱期后，為保證城市供暖，具備條件的燃?xì)鈾C(jī)組基本上全部切至背壓方式運(yùn)行，此時(shí)機(jī)組供熱比已達(dá)當(dāng)前技術(shù)條件下的最大值，約為0.495左右。以一套SIEMENS 9F級(jí)二拖一聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例，冬季二拖一背壓方式下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，供熱能力可達(dá)2 100 GJ/h，基本可滿足供熱要求[4]。但是，當(dāng)機(jī)組處于部分負(fù)荷時(shí)，就無(wú)法滿足熱負(fù)荷需求，因此熱力調(diào)度常需要啟動(dòng)效率較低、耗電率較高的尖峰燃?xì)鉄崴仩t進(jìn)行替代運(yùn)行，并且啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，不能及時(shí)補(bǔ)充熱量缺口，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活。

因此，針對(duì)北京目前的冬季供熱形式，如何進(jìn)一步提高背壓工況下聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的供熱比，提升熱電解耦能力，便成了迫切的民生需求。并且這也是各聯(lián)合循環(huán)熱電機(jī)組提升自身技術(shù)能力、提質(zhì)增效的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

1 機(jī)組概況

北京某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠，配置一套SIEMENS 9F級(jí)二拖一多軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。燃機(jī)為西門子9F(4)型；1臺(tái)型號(hào)為L(zhǎng)ZC266-12.5/0.4/545/540供熱蒸汽輪機(jī)；余熱鍋爐為無(wú)錫華光生產(chǎn)的三壓、無(wú)補(bǔ)燃、帶尾部煙氣余熱回收、一次再熱、自然循環(huán)鍋爐。

機(jī)組二拖一分軸布置，兩臺(tái)余熱鍋爐產(chǎn)生的高、中、低壓主蒸汽采用母管制，匯汽至母管后進(jìn)入汽輪機(jī)做功；若機(jī)組進(jìn)行單臺(tái)燃機(jī)啟停調(diào)峰或單臺(tái)燃機(jī)檢修時(shí)，也可轉(zhuǎn)換為一臺(tái)燃機(jī)+汽輪機(jī)的一拖一方式運(yùn)行。

汽輪機(jī)為雙缸雙排汽、高中壓合缸、無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)、一級(jí)再熱、無(wú)回?zé)?、中壓缸排汽設(shè)一級(jí)調(diào)整抽汽、帶低壓補(bǔ)汽。汽機(jī)轉(zhuǎn)子配置一臺(tái)3S離合器，純凝和抽凝方式運(yùn)行時(shí)，3S離合器嚙合。供暖季熱負(fù)荷較高時(shí)，可將3S離合器脫開切除低壓轉(zhuǎn)子，汽機(jī)轉(zhuǎn)為高中壓缸背壓方式運(yùn)行。中壓缸排汽和低壓補(bǔ)汽全部用進(jìn)入熱網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行供熱[4]。

圖1 二拖一機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)圖

2 技術(shù)原理

2.1 HCO原理介紹

液壓間隙優(yōu)化系統(tǒng)(Hydranlic Clearance Optimization，縮寫為HCO)是通過液壓控制系統(tǒng)調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的軸向位置，降低燃?xì)廨啓C(jī)因軸向間隙大造成的能量損失的裝置。

燃機(jī)HCO切換至主推力面位置時(shí)，轉(zhuǎn)子向壓氣機(jī)進(jìn)氣口方向移動(dòng)，透平葉頂與氣缸間隙減小，透平效率的增加；而壓氣機(jī)葉頂與氣缸間隙增大，壓氣機(jī)效率降低。但是燃機(jī)透平增加的效率要大于壓氣機(jī)損失的效率，因此機(jī)組凈效率升高[5]。

如圖2 HCO原理圖所示，由于燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，壓氣機(jī)流道的錐度α1遠(yuǎn)小于燃?xì)馔钙搅鞯赖腻F度α2，當(dāng)轉(zhuǎn)子沿壓氣機(jī)進(jìn)口方向軸向位移ΔX時(shí)，燃?xì)馔钙降拈g隙減小量dy2遠(yuǎn)大于壓氣機(jī)的間隙增加量dy1，因此燃?xì)馔钙皆黾拥墓β室笥趬簹鈾C(jī)損失的功率，即

dy2=Δx·tan(α2)

(1)

dy1=Δx·tan(α1)

(2)

圖2 HCO系統(tǒng)原理圖

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)顯示，SIEMENS F(4)型燃機(jī)在主推力面運(yùn)行時(shí)燃機(jī)功率可提升約3～5 MW，效率提高0.3%[6]。

2.2 提升聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱電比原理介紹

2.2.1 指標(biāo)分析

(1)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱比計(jì)算公式如下[7]

熱電比=Q/(Q+S×36)

(3)

Q—供熱量

S—發(fā)電量

(2)供熱量計(jì)算公式如下

Q=Q1+Q2

(4)

Q1—煙氣余熱回收供熱量

Q2—汽機(jī)排汽供熱量

(3)機(jī)組總負(fù)荷P，計(jì)算公式如下

P=2×P1+P2

(5)

P1—燃機(jī)負(fù)荷

P2—汽機(jī)負(fù)荷

由公式(3)可以看出：相同電負(fù)荷前提下，供熱比越高，供熱量越大，供熱能力越強(qiáng)。

由公式(4)總供熱量受煙氣余熱回收供熱量和汽機(jī)排汽供熱量影響，汽機(jī)負(fù)荷占比越高，總供熱量越大。

由公式(5)可看出，總負(fù)荷相同情況下，若提升聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中汽機(jī)負(fù)荷(P2)占比，須降低燃機(jī)負(fù)荷(P1)占比。

2.2.2 技術(shù)原理

HCO主、輔推力面切換前后T-S圖，如圖3。

圖3 HCO主、輔推力面切換前后T-S圖

機(jī)組冬季供熱期處于背壓工況運(yùn)行時(shí)，將燃機(jī)HCO系統(tǒng)切換至輔推力面運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致燃機(jī)透平運(yùn)行效率降低；如T-S圖所示，布雷登循環(huán)4點(diǎn)升至4＇點(diǎn)，燃機(jī)出力下降。同時(shí)，由于透平側(cè)葉片頂部和氣缸之間的間隙增大漏氣量增加，使燃機(jī)排氣溫度升高，Q1煙氣余熱回收供熱量增加，機(jī)組供熱比增大。

機(jī)組接受電網(wǎng)負(fù)荷指令P相同情況下，為維持總負(fù)荷恒定，燃機(jī)需增加燃?xì)饬髁繌浹a(bǔ)負(fù)荷損失，耗氣量增加后進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量也隨之增加，余熱鍋爐產(chǎn)汽量也將提升。如圖3所示，朗肯循環(huán)7＇點(diǎn)升至7＇點(diǎn)汽機(jī)負(fù)荷P2占比增加。由于汽機(jī)處于背壓工況運(yùn)行，中壓缸排汽熱量完全被熱網(wǎng)回收用于供熱，蒸汽量提升必然也會(huì)使Q2汽機(jī)排汽供熱量增加，機(jī)組供熱比增大。

因此SIEMENS 9F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組背壓方式運(yùn)行時(shí)，通過將燃機(jī)HCO系統(tǒng)切至輔推力面運(yùn)行，可增加機(jī)組供熱比，提升機(jī)組熱電解耦能力。

2.2.3 熱力性能計(jì)算

(1)燃機(jī)HCO切至輔推面后，該型號(hào)燃機(jī)實(shí)際負(fù)荷損失約3 MW，共損失6 MW。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中汽機(jī)占比約1/3[8]，因此汽機(jī)負(fù)荷升高約2 MW；機(jī)組二拖一背壓工況下，實(shí)際熱電比約為4.5，設(shè)定Q2汽機(jī)排汽供熱量增量為Q＇2，計(jì)算公式為

Q＇2=2×供熱比×3.6=32.4 GJ/h

(6)

(2)為維持總負(fù)荷不變，兩臺(tái)燃機(jī)切至輔推面后需各漲負(fù)荷2 MW。通過歷史切換曲線可知，冬季燃機(jī)由主推面切至輔推面后，排氣溫度由560 ℃升至570 ℃，因鍋爐排煙余熱回收，因此排煙溫度維持60 ℃恒定。設(shè)定輔推面Q1煙氣余熱回收供熱量為Q＇1由熱力學(xué)第二定律Q=C×M×▽T可知

Q＇1/Q=▽T＇/▽T=1.02

(7)

該廠滿負(fù)荷時(shí)煙氣回收供熱量為260 GJ/h，因此Q1最大增量為

Q1max=(Q＇1/Q1-1)×260 GJ/h=5.2 GJ/h

(8)

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍50%～100%，因此Q1增量約為2.6～5.2 GJ/h。

由計(jì)算結(jié)果可知，供熱增量主要以Q2汽機(jī)排汽供熱量增量為主，新增總供熱量Q＇約為35～37.6 GJ/h。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

2020年02月22日02：00，機(jī)組負(fù)荷450 MW，二拖一背壓負(fù)荷下限運(yùn)行。將#1、#2燃機(jī)HCO系統(tǒng)切至輔推力面運(yùn)行，切換前后機(jī)組運(yùn)行參數(shù)如曲線圖所示，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 HCO切換前后參數(shù)對(duì)照表

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

機(jī)組二拖一背壓運(yùn)行，HCO切至輔推面后燃機(jī)排氣溫度增加10 ℃，燃機(jī)、汽機(jī)負(fù)荷各增長(zhǎng)2 MW，天然氣耗氣量增加約350 m3，供熱量增加30 GJ/h與性能計(jì)算值基本接近。

經(jīng)過折算，兩臺(tái)燃機(jī)HCO切至輔推面運(yùn)行后，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組綜合氣耗降低0.001 5 Nm3/kWh，供熱比提升0.005 3，熱電解耦能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖4 HCO主、輔推力面切換參數(shù)曲線圖

4 取得的經(jīng)濟(jì)效益

機(jī)組二拖一背壓運(yùn)行，HCO切至輔推面后供熱量增加30 GJ/h。按2019年供熱季估算，機(jī)組利用小時(shí)不變，全年二拖一背壓運(yùn)行時(shí)間約1 350 h，每GJ盈利約60元，全年增加盈利為

盈利=60×30×1 350=243萬(wàn)元

6 結(jié)論

通過理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，SIEMENS 9F級(jí)二拖一燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組背壓方式運(yùn)行時(shí)，將燃機(jī)HCO系統(tǒng)切至輔推力面運(yùn)行，供熱能力提升具體結(jié)論如下：

(1)全負(fù)荷區(qū)間可增加供熱能力約30 GJ/h,供熱比提升0.005，綜合氣耗降低0.001 5 Nm3/kWh。

(2)全年利用小時(shí)數(shù)不變的情況下可增加供熱量約4萬(wàn)GJ，增加盈利約240萬(wàn)元。